(57)【要約】【課題】被検出物質を高感度・高精度に検出可能であるテラヘルツ光を用いた計測装置及び計測方法を提供する。【解決手段】物質検出プレートと、物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を備え、前記振幅強度より、被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測装置であって、パルスレーザー光を２分割する第１ビームスプリッタと、被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部と、参照溶液が導入可能である参照領域部と、を備え、２分割されたパルスレーザー光を検出領域部に対応する半導体に照射するとともに、参照領域に対応する半導体に各々照射し、検出領域部及び参照領域部に対応する半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光して、ひとつの検出手段により検出する。
2011096563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体と当該半導体上に作製される絶縁体とを有する物質検出プレートと、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を前記半導体側から照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を備え、
前記振幅強度より、前記被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測装置であって、
前記パルスレーザー光を２分割する第１ビームスプリッタと、
前記絶縁体上に配置され、被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部と、
前記絶縁体上の前記検出領域近傍に配置され、参照溶液が導入可能である参照領域部と、を備え、
前記パルスレーザー光を、前記第１ビームスプリッタにより２分割し、分割された一方のパルスレーザー光を前記検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方のパルスレーザー光を前記参照領域に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域及び前記参照領域に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光手段により集光して、ひとつの前記検出手段により検出することを特徴とするパルス電磁波を用いた計測装置。
【請求項２】
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する第２ビームスプリッタと、
前記プローブ光の光路に配置され、前記検出手段にて前記振幅強度が検出される時間を遅延可能である時間遅延手段と、をさらに備え、
前記ポンプ光は、前記第１ビームスプリッタにより２分割され、分割された一方の前記ポンプ光を前記検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を前記参照領域部に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光手段により集光して、ひとつの前記検出手段に入射し、
前記プローブ光は、前記時間遅延手段を通過し、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射し、
当該プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出することを特徴とする請求項１に記載のパルス電磁波を用いた計測装置。
【請求項３】
前記時間遅延手段は、前記検出手段にて前記振幅強度が検出される時間を周期的に時間遅延可能であることを特徴とする請求項２に記載のパルス電磁波を用いた計測装置。
【請求項４】
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する第２ビームスプリッタと、
前記第１ビームスプリッタと前記半導体との間における前記ポンプ光の光路に配置され、前記ポンプ光のパルスタイミングを任意に調整可能であるパルスタイミング調整手段と、をさらに備え、
前記ポンプ光は、前記第１ビームスプリッタにより２分割され、分割された一方の前記ポンプ光を前記検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を前記参照領域部に対応する前記半導体に照射し、かつ前記一方又は他方のポンプ光のうちどちらか一方を前記パルスタイミング調整手段を通過させ、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光手段により集光して、ひとつの前記検出手段に入射し、
前記パルスタイミング調整手段は、前記検出手段にて検出される前記各々のパルス電磁波の振幅強度の検出タイミングが一致するように、前記両方のポンプ光のうち一方のポンプ光のパルスタイミングが予め調整され、
前記プローブ光は、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射し、
当該プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出することを特徴とする請求項１に記載のパルス電磁波を用いた計測装置。
【請求項５】
半導体と当該半導体上に作製される絶縁体とを有する物質検出プレートと、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を前記半導体側から照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を用いて、
前記振幅強度より、前記被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測方法であって、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する分割工程と、
前記ポンプ光を２分割し、分割された一方の前記ポンプ光を前記被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を参照溶液が導入可能である参照領域部に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光して、ひとつの前記検出手段に入射する入射工程と、
前記プローブ光を、所定の周期にて時間遅延させながら、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射する工程と、
前記プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出することで、前記検出領域部及び前記参照領域部のそれぞれにおける遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波の振幅強度を取得して、前記検出領域及び前記参照領域のそれぞれにおける前記パルス電磁波の時系列波形を生成する時系列波形生成工程と、
前記時系列波形生成工程で生成された前記検出領域及び前記参照領域のそれぞれにおける前記パルス電磁波の時系列波形から各々の波形ピーク位置における振幅強度を取得する振幅強度取得工程と、
前記検出領域の波形ピーク位置と前記参照領域の波形ピーク位置における各振幅強度の差分を行う差分工程と、を有することを特徴とするパルス電磁波を用いた計測方法。
【請求項６】
半導体と当該半導体上に作製される絶縁体とを有する物質検出プレートと、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を前記半導体側から照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を用いて、
前記振幅強度より、前記被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測方法であって、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する分割工程と、
前記ポンプ光を２分割し、分割された一方の前記ポンプ光を前記被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を参照溶液が導入可能である参照領域部に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光して、ひとつの前記検出手段に入射する入射工程と、
前記検出手段にて検出される前記各々のパルス電磁波の振幅強度の検出タイミングが一致するように前記両方のポンプ光のうち一方のポンプ光のパルスタイミングを予め調整するパルスタイミング調整工程と、
前記プローブ光を、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射する工程と、
当該プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出する工程と、を有することを特徴とするパルス電磁波を用いた計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス電磁波を用いた計測装置及び計測方法に関するものである。特にパルス電磁波の電場強度の時間変化を検出することで計測を行う計測装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数が１０ＧＨｚから１０ＴＨｚ、あるいは、さらにその周波数領域を含む広い周波数領域（テラヘルツ帯域と呼ぶ）の成分を持つ電磁波は、総称してテラヘルツ光とよばれている。特に、パルス状のテラヘルツ光（テラヘルツパルス光と呼ぶ）を用いた時間領域での分光装置やイメージング装置が提案されている。【０００３】
これらの装置では、テラヘルツパルス光を半導体や誘電体等の各種被測定試料に照射して、被測定試料を透過させるかもしくは被測定試料で反射させた後、そのパルス光の電場強度の時間変化を検出し、フーリエ変換により各周波数の電場強度と位相情報を得る。その結果、例えばフーリエ分光装置では得られない若しくは得ることが難しかった各種被測定試料の物性データを非破壊で得ることが可能となっている。【０００４】
前記テラヘルツパルス光を用いて試料に関する情報を得るためには、これら試料からの時系列波形に加えて、参照用の時系列波形が必要となる。参照用波形としては、透過型の場合には試料を取り除いたときに検出される波形が用いられ、反射型の場合には反射率が１００％とみなせる鏡を試料の代わりに配設して、そのときに検出される波形を用いる。そして、参照用波形もフーリエ変換し、各波長に対する電場の振幅強度と位相情報を得る。【０００５】
また、特許文献１には、試料を平行平板に限定したテラヘルツパルス光を用いた測定方法が記載されている。当該測定方法は、前記反射光の時系列波形に含まれる試料入射面での反射パルス光を参照信号とし、反射光の時系列波形から前記反射パルス光を除いた差分信号を試料信号とし測定を行う方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９８２５０号公報
【特許文献２】特許第４１８３７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のテラヘルツパルス光を用いた装置では、検出感度や検出精度が十分とは言えず、例えば、特許文献２に記載のパルス電磁波を用いた計測装置等においては、創薬分野への適用に際して検出感度や検出精度をさらに向上することが望まれている。【０００８】
そこで、本発明は、被検出物質を高感度・高精度に検出可能であるパルス電磁波を用いた計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。【００１０】
即ち、請求項１においては、
半導体と当該半導体上に作製される絶縁体とを有する物質検出プレートと、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を前記半導体側から照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を備え、
前記振幅強度より、前記被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測装置であって、
前記パルスレーザー光を２分割する第１ビームスプリッタと、
前記絶縁体上に配置され、被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部と、
前記絶縁体上の前記検出領域近傍に配置され、参照溶液が導入可能である参照領域部と、を備え、
前記パルスレーザー光を、前記第１ビームスプリッタにより２分割し、分割された一方のパルスレーザー光を前記検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方のパルスレーザー光を前記参照領域に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域及び前記参照領域に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光手段により集光して、ひとつの前記検出手段により検出するパルス電磁波を用いた計測装置であ
る。【００１１】
請求項２においては、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する第２ビームスプリッタと、
前記プローブ光の光路に配置され、前記検出手段にて前記振幅強度が検出される時間を遅延可能である時間遅延手段と、をさらに備え、
前記ポンプ光は、前記第１ビームスプリッタにより２分割され、分割された一方の前記ポンプ光を前記検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を前記参照領域部に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光手段により集光して、ひとつの前記検出手段に入射し、
前記プローブ光は、前記時間遅延手段を通過し、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射し、
当該プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出するパルス電磁波を用いた計測装置である。【００１２】
請求項３においては、
前記時間遅延手段は、前記検出手段にて前記振幅強度が検出される時間を周期的に時間
遅延可能であるパルス電磁波を用いた計測装置である。【００１３】
請求項４においては、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する第２ビームスプリッタと、
前記第１ビームスプリッタと前記半導体との間における前記ポンプ光の光路に配置され、前記ポンプ光のパルスタイミングを任意に調整可能であるパルスタイミング調整手段と、をさらに備え、
前記ポンプ光は、前記第１ビームスプリッタにより２分割され、分割された一方の前記ポンプ光を前記検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を前記参照領域部に対応する前記半導体に照射し、かつ前記一方又は他方のポンプ光のうちどちらか一方を前記パルスタイミング調整手段を通過させ、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光手段により集光して、ひとつの前記検出手段に入射し、
前記パルスタイミング調整手段は、前記検出手段にて検出される前記各々のパルス電磁波の振幅強度の検出タイミングが一致するように、前記両方のポンプ光のうち一方のポンプ光のパルスタイミングが予め調整され、
前記プローブ光は、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射し、
当該プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出するパルス電磁波を用いた計測装置である。【００１４】
請求項５においては、
半導体と当該半導体上に作製される絶縁体とを有する物質検出プレートと、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を前記半導体側から照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を用いて、
前記振幅強度より、前記被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測方法であって、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する分割工程と、
前記ポンプ光を２分割し、分割された一方の前記ポンプ光を前記被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を参照溶液が導入可能である参照領域部に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光して、ひとつの前記検出手段に入射する入射工程と、
前記プローブ光を、所定の周期にて時間遅延させながら、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射する工程と、
前記プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出することで、前記検出領域部及び前記参照領域部のそれぞれにおける遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波の振幅強度を取得して、前記検出領域及び前記参照領域のそれぞれにおける前記パルス電磁波の時系列波形を生成する時系列波形生成工程と、
前記時系列波形生成工程で生成された前記検出領域及び前記参照領域のそれぞれにおける前記パルス電磁波の時系列波形から各々の波形ピーク位置における振幅強度を取得する振幅強度取得工程と、
前記検出領域の波形ピーク位置と前記参照領域の波形ピーク位置における各振幅強度の差分を行う差分工程と、を有するパルス電磁波を用いた計測方法である。【００１５】
請求項６においては、
半導体と当該半導体上に作製される絶縁体とを有する物質検出プレートと、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を前記半導体側から照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を検出する検出手段と、を用いて、
前記振幅強度より、前記被検出物質を含む溶液の状態の変化を計測するパルス電磁波を用いた計測方法であって、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する分割工程と、
前記ポンプ光を２分割し、分割された一方の前記ポンプ光を前記被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部に対応する前記半導体に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光を参照溶液が導入可能である参照領域部に対応する前記半導体に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体から発生する各々のパルス電磁波を集光して、ひとつの前記検出手段に入射する入射工程と、
前記検出手段にて検出される前記各々のパルス電磁波の振幅強度の検出タイミングが一致するように前記両方のポンプ光のうち一方のポンプ光のパルスタイミングを予め調整するパルスタイミング調整工程と、
前記プローブ光を、前記ポンプ光により発生した前記各々のパルス電磁波の入射と同期させて前記検出手段に照射する工程と、
当該プローブ光の照射時に前記検出手段に入射した前記ポンプ光による前記各々のパルス電磁波の振幅強度を検出する工程と、を有するパルス電磁波を用いた計測方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、計測装置の検出感度や検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るパルス電磁波を用いた計測装置の概略図である。
【図２】本発明に係る物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図である。
【図３】本発明に係る物質検出プレートの概略図である。
【図４】流路形成部及び流路を示す斜視図である。
【図５】同じく断面図である。
【図６】溶液濃度分布計測装置の測定エリアを示す模式図であり、（ａ）は図５のＸ矢視図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面矢視図である。
【図７】検出領域部と参照領域部を有する物質検出プレートを示す図である。
【図８】パルス電磁波を用いた計測方法のフローを示す図である。
【図９】時系列波形の生成方法の説明図である。
【図１０】検出領域部及び参照領域部から発生したパルス電磁波の各振幅強度波形を示す図である。
【図１１】差分工程におけるノイズキャンセルを説明するための説明図であり、（ａ）は差分前を示すグラフ、（ｂ）は差分後を示すグラフである。
【図１２】レーザー光の分離方法の例を示す模式図であり、（ａ）は平板内での内部反射により分離する方法を示す模式図、（ｂ）はハーフミラーと鏡により分離する方法を示す模式図、（ｃ）はガルバノミラーによるレーザースキャンを示す模式図である。
【図１３】本発明の第２実施例に係るパルス電磁波を用いた計測装置の概略図である。
【図１４】検出領域部と参照領域部を有する物質検出プレートを示す図である。
【図１５】本発明に係るパルス電磁波を用いた計測装置（パルスタイミング調整手段と時間遅延手段を併用した場合）の概略図である。
【図１６】実施例２に係るパルス電磁波を用いた計測方法のフローを示す図である。
【図１７】実施例２に係るパルス電磁波を用いた計測方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００１８】
１、５０    計測装置
２    パルスレーザー光源
４    検出・変換装置
５    物質検出プレート
９    パルスレーザー光
１０  パルス電磁波
１２  流路（検出領域部）
１３  参照領域部
１４  第２ビームスプリッタ
１５  時間遅延手段
１７  第１ビームスプリッタ
１８、４０  集光手段
２２  絶縁体
２３  半導体
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１に、本発明のパルス電磁波を用いた計測装置の第１実施例を示す。
溶液濃度分布計測装置１（以下、計測装置１という）は、パルス電磁波１０を用いた計測装置であり、半導体２３と当該半導体２３上に作製される絶縁体２２と当該絶縁体２２上に作製される物質感応膜２１とを有する物質検出プレート５（センシングプレート）と、前記絶縁体２２（物質感応膜２１）上に配置され、被検出物質を含む溶液が導入可能な検出領域部である被検出物質を含む溶液を流すための流路１２と、前記絶縁体２２（物質感応膜２１）上の前記流路１２近傍に配置され、参照溶液が導入可能である参照領域部１３（図７参照）と、溶液の電位を安定させる手段（後述する参照電極２６）と、前記物質検出プレート５にパルスレーザー光９を前記絶縁体２２の反対側である前記半導体２３側から前記流路１２に対応する位置に照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波１０を発生させる手段（パルスレーザー光源２）と、前記パルスレーザー光源２から照射されたパルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに２分割する第２ビームスプリッタ１４と、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）と、前記パルス電磁波１０の振幅強度を計測する手段（検出・変換装置４）と、前記プローブ光Ｌ１の光路に配置され、前記検出・変換装置４にて前記振幅強度が検出される時間を周期的に遅延可能である時間遅延手段１５と、前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段（制御・解析装置８）等を備える。また、本実施例においては、後述する物質感応膜２１が、前記流路形成部６内の流路１２の内壁面の一部（本実施例では、流路１２内壁面の底部）を構成している。以下、本発明に係る原理、及び、装置構成の詳細について説明する。
なお、前記制御・解析装置８は、特に溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段に限定するものではなく、前記被検出物質を含む溶液の特性及びその変化、並びに、溶液の状態の変化を計測する手段である。
また、本実施例においては前記流路１２の内壁面において、物質検出プレート５側に位置する部分を便宜上底部とする。
【００２１】
はじめにレーザーパルス照射による電磁波の発生原理を説明する。半導体中の電場Ｅが存在する場所に、バンドギャップよりも大きなエネルギーをもつレーザー光を照射すると、光励起による電子・正孔対が生成し、その電子・正孔対が電場Ｅによって加速されるために電流が発生する。レーザー光が連続光の場合は、定常的な電流が流れるが、レーザー光がパルス光の場合には、励起された電子・正孔対はある一定の時間で緩和し、電流も流れなくなるため、光パルスの幅と緩和時間に依存して、パルス状の電流が流れる。古典電磁気学のＭａｘｗｅｌｌの方程式から導出される下記（１）式によれば、半導体に流れる電流に時間変化が発生した場合、該半導体より電磁波が放射される。
【００２２】
【数１】
2011096563.tif 000003
【００２３】
上記（１）式において、Ｅｅｍｉｓｓｉｏｎは、電磁波の電界ベクトル、Ｊは、光電流密度ベクトル、ｎは、光励起された電子・正孔対の密度、ｅは、素電荷量、ｖは、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅｌｏｃａｌによって加速された電子・正孔対のドリフト速度、μは、電荷の移動度である。
【００２４】
（１）式からわかるように、発生する電磁波の振幅強度は、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅｌｏｃａｌに比例する。
【００２５】
次に、溶液中の被検出物質が半導体２３上に作製される物質検出プレート５の表面に存在した場合に、パルスレーザー光９の照射によって前記半導体２３から発生する前記パルス電磁波１０の振幅強度が変化する理由を説明する。
【００２６】
まず、特定の被検出物質に感応する物質感応膜に、被検出物質を含む溶液が接すると、溶液の水素イオン濃度が変化する。すなわち、物質感応膜に接する溶液のｐＨが変化する。
【００２７】
例えば、ウレアーゼ（酵素）を含む物質感応膜では、触媒作用により、尿素が加水分解され、アンモニアが発生し、ｐＨが上昇することが知られている。
【００２８】
図２は、物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図であり、横軸は、位置を示しており、縦軸はエネルギーを示している。また、図中のＥＣは伝導帯であり、ＥＶは価電子帯である。絶縁体２２と半導体２３の境界には、空乏層が形成される。空乏層とは、キャリアが存在しない領域であり、該空乏層には局所電界Ｅが形成されている。したがって、外部から電圧を印加しなくても、空乏層には定常的に電界が存在していることになる。この空乏層に光を照射し、電子・正孔対を生成すると、（１）式にしたがって、電磁波が発生する。
【００２９】
ここで、局所電界Ｅの向き及び大きさは、絶縁体２２と半導体２３の境界の状態や、半導体２３の特性によって変わることがある。しかしながら、電磁波発生の原理において特に重要な点は、局所電界Ｅが形成されていることである。
【００３０】
そして、図２に示すごとく、溶液中の水素イオン濃度（溶液のｐＨ）が変化すると、物質感応膜２１に吸着する水素イオンと水酸基イオンの密度が変化し、物質感応膜２１の表面の電荷が変化することで、絶縁体２２と半導体２３の境界に形成される空乏層の局所電界Ｅも変化し、局所電荷Ｅに比例する前記パルス電磁波の振幅強度も変化することになる。
【００３１】
以上のように、半導体２３にパルスレーザー光９を照射することにより発生する電磁波の振幅強度を直接計測することで、被検出物質ごとに信号を読み出す電極を作製することなく被検出物質を検出することができる。
【００３２】
以上の原理を用い、図１に示す第１実施例に係る計測装置１の装置構成によって、被検出物質の検出が行われる。
図１は、本実施例の溶液濃度分布計測装置の概略図である。この図に示すように、本実施例の計測装置１は、照射装置（光学系）、検出・変換装置４、及び制御・解析装置８を備える。
【００３３】
図１において照射装置（光学系）は、パルスレーザー光源２、第２ビームスプリッタ１４、時間遅延手段１５、光チョッパー１６、ポンプ光分割集光手段（第１ビームスプリッタ１７（図７参照）、集光手段１８）及び、走査台７から主に構成される。照射装置（光学系）は、物質検出プレート５の所定の位置に配置された検出領域部である流路１２及び参照領域部１３に所定の波長を有するパルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）を照射する機能を有する。
なお、パルスレーザー光９の方向を変更するために使用した鏡等の構成は、本実施形態に限定するものではなく、各構成部品の配置を考慮して、例えば更に鏡の数を増やす等適宜構成を変更してもかまわない。
【００３４】
さらに、照射装置は、パルスレーザー光９を照射して２次元的に走査する手段を有する。つまり、走査する手段は、前記走査台７において、図示しない駆動装置を用いて前記物質検出プレート５及び流路形成部６を走査台７（ＸＹ自動ステージ）上で往復移動させつつ、パルスレーザー光９を前記物質検出プレート５に向けて照射する機能を有している。
【００３５】
また、このパルスレーザー光９の分割光であるポンプ光Ｌ２は、図４に示すごとく、流路１２の底部を構成する物質感応膜２１の位置に対応する半導体２３に対して照射されるもの（流路形成部６の一側面部に位置する流路１２に対して照射されるもの）であり、前記走査台７にて物質検出プレート５、及び、該物質検出プレート５上に密着して積層された流路形成部６の全体を動かすことによって、ポンプ光Ｌ２が照射される位置に、流路１２の底部の物質感応膜２１に対応する半導体２３を移動して、半導体２３のレーザー光照射面が走査されるようにし、ポンプ光Ｌ２を照射すると半導体２３のレーザー光照射位置から、連続的に、パルス電磁波１０を発生させることとしている。
【００３６】
なお、走査する構成はこの第１実施例の構成に限定されず、図示しない揺動または回転するミラー等により、パルスレーザー光９を物質検出プレート５の上で２次元的に走査したり、パルスレーザー光源２を揺動したりして照射してもよい。
【００３７】
また、図１に示すごとく、本実施例では、パルスレーザー光９とパルス電磁波１０の経路によってなす面を略水平面、即ち、図１は上面視の構成であり、この構成を側面から見た場合に、前記パルスレーザー光９とパルス電磁波１０が略水平面をなすような配置構成としているが、各装置の形状及び固定方法によって適宜設定することが望ましく、前記略水平面を構成する必要はない。また、本実施例では、流路形成部６が有する流路１２の一側（本実施例では流路１２の底部側）に対応する半導体２３にパルスレーザー光９を分割したポンプ光Ｌ２を照射する構成としている。
【００３８】
前記パルスレーザー光９の分割光であるポンプ光Ｌ２の物質検出プレート５への入射角は、パルスレーザー光９の有する波長が、物質検出プレート５の半導体２３へ最も吸収される角度とすることが好ましい。ただし、各装置の形状及び固定方法によっては、この角度に限定する必要はなく、特に限定されるものではない。
【００３９】
前記パルスレーザー光源２は、パルスレーザー光９を発生可能なモード同期チタンサファイアレーザー、又はフェムト秒ファイバーレーザであるのがよい。
また、このパルスレーザー光９の波長は、３００ナノメートル（３００ｎｍ＝０．３μｍ）以上、２ミクロン（２μｍ）以下の範囲に含まれるものであり、時間平均のエネルギーが０．１ｍＷ以上、１０Ｗ以下であり、パルス幅が１フェムト秒（１ｆｓ＝０．００１ｐｓ）以上、１０ピコ秒（１０ｐｓ）以下であるのがよい。
すなわち、電磁波の励起に際しては、光源として時間の幅の小さなパルスレーザー光９を用いることにより、半導体２３及び溶液に大きな影響を及ぼさない状態で、電磁波の励起ができる。また、特にパルスレーザー光９としてフェムト秒レーザー光を使用することで、高い時間分解能による時間分解計測が可能となり、物質の反応をリアルタイムで観測可能となる。なお、半導体２３及び溶液に熱的影響を及ぼさない最大光パルス幅は、約１０ピコ秒と見積ることができる。また、フェムト秒レーザーを使用することで、微小量の溶液であっても、レーザーによる加熱の影響を最小限に抑えることができ、試料の熱破壊を抑制できるという効果がある。
【００４０】
第２ビームスプリッタ１４は、入射するパルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに分割する手段であり、本実施例においては、直進するプローブ光Ｌ１に対してポンプ光Ｌ２を垂直方向に分割可能であるハーフミラーを用いている。
【００４１】
時間遅延手段１５は、前記プローブ光Ｌ１の光路に配置され、前記検出・変換装置４にて前記振幅強度が検出される時間を周期的に遅延可能である手段である。時間遅延手段１５は、図示しない駆動手段により周期的に所定方向に移動可能である可動鏡１５ａと、当該可動鏡１５ａを保持するステージ１５ｂとを備える。時間遅延手段１５は、当該時間遅延手段１５に入射されるプローブ光Ｌ１を、当該プローブ光Ｌ１の入射方向に対して、平行かつ反対方向に反射することができる。こうして、時間遅延手段１５は、駆動手段により可動鏡１５ａをプローブ光Ｌ１の入射方向に対して平行かつ周期的に往復移動することによりプローブ光Ｌ１の光路長を調節し、光学的に時間遅延することが可能である。また、駆動手段は、制御・解析装置８により制御される。
すなわち、時間遅延手段１５は、前記プローブ光Ｌ１の光路長を調整するための可動鏡１５ａを周期的に移動させることで所定時間間隔の時間遅延量を付与したプローブ光Ｌ１を前記検出・変換装置４（検出・変換装置４が有する後述する検出素子１９）に入射することができる。
【００４２】
光チョッパー１６は、ポンプ光Ｌ２の光路に配置され、当該ポンプ光Ｌ２を所定の周波数にてチョッピングすることが可能である。
【００４３】
ポンプ光分割集光手段は、図７に示すように、入射したポンプ光Ｌ２を２つの平行なポンプ光Ｌ２に分割する第１ビームスプリッタ１７と、当該２つの平行なポンプ光Ｌ２により発生する２つのパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光する集光手段１８である軸外し放物面鏡とから構成される。このポンプ光分割集光手段は、前記パルスレーザー光９であるポンプ光Ｌ２を、前記第１ビームスプリッタ１７（第１実施例においては、ビームスプリッタ用平板）により２分割して２つの平行光とし、分割された一方のポンプ光Ｌ２を検出領域部である流路１２に対応する前記半導体２３に照射するとともに、分割された他方のポンプ光Ｌ２を参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射することができる。
なお、前記第１ビームスプリッタ１７の例としては、図１２に示すレーザー光の分離方法のように、（ａ）第１実施例の如く、ビームスプリッタ用平板である第１ビームスプリッタ１７を用いて平板内での内部反射により分離する方法、（ｂ）後述する第２実施例の如く、ハーフミラー３６と鏡３７により分離する方法、（ｃ）ガルバノミラー３８によるレーザースキャン等が挙げられる。
【００４４】
図１において検出・変換装置４は、検出手段である検出素子１９と、変換手段と、から構成される。検出・変換装置４は、半導体２３におけるパルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）の照射位置から放射され、集光手段１８である軸外し放物面鏡により集光されたパルス電磁波１０ａ、１０ｂを検出して、パルス電磁波１０の電場振幅の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するものである。
【００４５】
検出素子１９は、例えば光伝導アンテナ等であり、物質検出プレート５におけるポンプ光Ｌ２照射位置からのパルス電磁波１０ａ、１０ｂが入射可能に配置され、当該パルス電磁波１０の入射と同期させて、プローブ光Ｌ１を検出素子１９の所定位置に照射すると、当該照射時に入射したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの電界強度（振幅強度）に比例した電流が発生する。
【００４６】
変換手段は、検出素子１９に接続される電流アンプ２７と、当該電流アンプ２７に接続されるロックインアンプ２８とを備える。また、ロックインアンプ２８は光チョッパー１６と接続されている。この変換手段では、上記検出素子１９にて発生した電流を測定することにより、プローブ光Ｌ１が検出素子１９に照射した時に入射したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度を検出することが可能である。また、前記パルス電磁波１０ａ、１０ｂに含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることとし、これにより、一般的な構成の検出・変換装置４の利用が可能となる。また、本発明に係る溶液濃度分布計測装置を構成する上で、利用するパルス電磁波１０としては、ギガヘルツ領域よりもテラヘルツ領域が好ましい。テラヘルツ領域を利用する場合は、ギガヘルツ領域を利用する場合とは異なり、ミラーやレンズ等を使用した光学的な手法により、電磁波を検出器に容易に導くことが可能となる。一方、テラヘルツ領域よりも高周波領域は、いわゆる光になるが、光を利用する場合は、周囲の光と信号の光を区別する手段を備える必要があり、装置が複雑になるため光のようなテラヘルツ領域よりも高周波の電磁波よりもテラヘルツ領域の電磁波を利用することが好ましい。
【００４７】
制御・解析装置８は、前記検出・変換装置４の変換手段にて変換した電圧信号から、被検出物質の有無の検出（定性的な測定）、被検出物質の定量的な測定、被検出物質の反応分布及び濃度分布、並びに、パルス電磁波１０の振幅強度（電圧値）の時系列波形を用いた所定の解析といった解析処理や所定の演算を行う装置である。また、本実施例では、制御・解析装置８は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とするコンピュータであり、図示せぬ制御信号線を介して、照射装置（光学系）、走査台７、検出・変換装置４、及び、パルスレーザー光源２の制御も併せて行うものである。
【００４８】
図３は、前記物質検出プレート５の概要図である。物質検出プレート５は、検出領域部である流路１２及び参照領域部１３の底部を形成する物質感応膜２１と絶縁体２２と半導体２３と透明基板２４とを具備する。すなわち、物質検出プレート５は、絶縁体２２と、該絶縁体２２の一端面（図３においては左端面）に当接するように形成され、所定の厚さを有する半導体２３と、該半導体２３の一端面（図３においては左端面）に当接するように形成される透明基板２４、前記絶縁体２２の他端面（図３においては右端面）に当接するように形成される物質感応膜２１と、を有する。また、物質検出プレート５及び流路形成部６で測定プレート２０を構成している。
【００４９】
なお、物質感応膜２１は、溶液のｐＨのみを計測する場合は、必要としない。
【００５０】
また、前記物質感応膜２１として、酵素を固定化した膜を備えることにより、この酵素と反応する被検出物質が溶液中に存在する場合には、酵素と被検出物質の反応によりｐＨが変化し、当該物質感応膜２１の存在する位置から発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化する。この振幅強度の変化を捉えることによって、被検出物質を検出できることになる。このように、物質感応膜２１を酵素にて構成することにより、物質検出プレート５にて酵素反応による分布の検出を行うことが可能となる。具体的には、物質感応膜２１は光架橋剤に酵素を添加して、流路１２の底部に塗布することにより構成する。または、酵素を含有したシートを流路１２の底部に貼り付ける。
【００５１】
また、前記物質感応膜２１として、抗原を固定化した膜を備えることにより、この抗原と反応する被検出物質（抗体）が溶液中に存在する場合には、抗原と被検出物質（抗体）の反応により物質感応膜２１表面の電荷が変化し、当該物質感応膜２１の存在する位置から発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化する。この変化した振幅強度の（周波数に対する）値によって、被検出物質（抗体）を検出できることになる。このように、物質感応膜２１を抗原にて構成することにより、これに対応する抗体の検出を行うことが可能となり、計測装置１を、いわゆる生物センサとして利用可能となる。
【００５２】
また、流路１２の底部にある物質感応膜２１の大きさ（前記半導体２３に対する投影面積）は、前記パルスレーザー光９の照射範囲に対応して設計される。即ち、パルスレーザー光９の照射範囲よりも広くなるように、物質感応膜２１の大きさが設計される（本実施形態においては、物質感応膜２１の大きさは１５ｍｍ×１５ｍｍ程度。図６で示す物質感応膜２１の大きさが測定エリアとなる）。また、本実施形態の物質感応膜２１上に設ける流路１２の大きさとしては、流路幅３ｍｍ程度、流路高さ２ｍｍ程度であり、流路長は１８ｍｍ程度（物質感応膜２１上の流路長）である。具体的には、前記流路１２の内壁面を構成する物質感応膜２１の面積が、前記流路１２の内壁面の表面積の４分の１以上であることが好ましく、表面積の４分の１未満となる場合、反応分布を検出する面積が不足してしまう場合があるからである。また、前記流路１２の流路幅が流路長の５分の１以下であることが好ましく、流路長の５分の１より大きい場合、熱容量が大きくなり、急激な加熱・冷却が困難になり、マイクロ流路を用いて反応を行う有用性がなくなるからである。
【００５３】
また、図３に示すごとく、前記半導体２３には絶縁体２２の膜が形成され、該絶縁体２２上に、かつ、流路１２及び参照領域部１３の底部にあたる部分に前記物質感応膜２１が配置される。本実施形態では、絶縁体２２としては酸化シリコン，窒化シリコン等が用いられる。前記絶縁体２２の厚さを約２７０ナノメートル、半導体２３の厚さを約１５０ナノメートルとしたが、半導体２３の厚さは、パルス電磁波１０の大きな振幅強度を得るために、パルスレーザー光９の波長と半導体２３の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとするのが望ましい。尚、光侵入長は、半導体２３についての光吸収係数の逆数である。例えば、パルスレーザー光９の波長が７９０ナノメートルであり、半導体２３の種類が高抵抗のシリコンである場合、半導体２３の厚さは約２ミクロン程度とすることで、効率よくパルス電磁波１０を発生させることができる。
【００５４】
また、図３に示すごとく、前記透明基板２４は、半導体２３と絶縁体２２と物質感応膜２１を作製するときに必要である。さらに、透明基板２４は、物質検出プレート５の機械強度を保つためにも必要である。本実施形態では、透明基板２４としてサファイアが用いられている。また、図３及び図４に示すように、前記透明基板２４上に半導体２３が配置され、その半導体２３上に前記絶縁体２２が配置され、その絶縁体２２上に前記物質感応膜２１が配置される。
【００５５】
また、図４に示すごとく、前記パルスレーザー光９は、前記物質検出プレート５の前記物質感応膜２１が作製される面の反対側から照射されるものである。換言すれば、パルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）は、流路１２に対応する前記半導体２３、すなわち、図４中における流路１２直下の半導体２３表面（図４では半導体２３下面）に照射されるものである。このために、物質検出プレート５に設けられる半導体として、前記パルスレーザー光９を透過する絶縁体基板（透明基板２４）上に、半導体膜（半導体２３）を作製したものが使用される。
【００５６】
また、図３に示すごとく、リード線２５が半導体２３と電気的に接触されており、必要に応じて半導体２３に電圧を印加することができるようになっている。これにより、半導体２３内の空乏層の幅を制御することができる。
【００５７】
また、前記絶縁体２２の上に窒化シリコンなどの保護膜を作製することによれば、溶液中のイオンが絶縁体２２の中へ浸透し、検出信号が不安定になることを防ぐことができる。
【００５８】
参照領域部１３は、図７に示すように、前記絶縁体２２上に設けられた物質感応膜２１上の前記検出領域部となる流路１２近傍に配置され、参照溶液が導入可能である。
【００５９】
また、図４及び図５に示すごとく、前記物質検出プレート５には、前記物質感応膜２１上に、プレート状の流路形成部６が一体的に積層される。この流路形成部６には、内部に側面視クランク状の検出領域部となる流路１２及び参照領域部１３を有しており、該流路１２及び参照領域部１３は断面視四角状である（図７参照）。流路１２の内壁面の一部である底部は物質感応膜２１の表面により形成されている。また、物質感応膜２１と流路形成部６との界面Ｓは、流路１２及び参照領域部１３の底部を形成している物質感応膜２１部分を除き、密着してシールされており、また、流路形成部６と絶縁体２２との界面も同様にシールされており、流路１２及び参照領域部１３内から界面Ｓに溶液が侵入しないように処理されている。すなわち、溶液が流路１２（参照溶液が参照領域部１３）を流れる、もしくは流路１２（参照領域部１３）内に貯留される場合に、溶液は、流路１２の底部（参照溶液は、参照領域部１３の底部）である物質感応膜２１の表面に接触するように構成している。
なお、流路１２の形状としては特にクランク状に限定するものではなく、溶液反応の種類等により適宜変更してもかまわない。例えば、流路形状としては直線状、蛇行状、Ｙ字状等などがあげられる。
また、流路１２の近傍に加熱もしくは冷却手段を設けて流路形成部６を構成することも可能である。
【００６０】
また、図４に示すごとく、被検出物質を含む溶液は、溶液流入口３２より注入され、検査後に不要となった溶液は、溶液排出口３３より排出される。
【００６１】
また、溶液の電位を安定させる手段である参照電極２６は、図６に示すように、溶液流入口３２に接続される溶液供給管の中途部の所定位置に介装される。この参照電極２６は、塩化カリウム飽和溶液の封入されたガラス管に銀・塩化銀電極が入っている構造であり、飽和塩化カリウム溶液に浸された銀・塩化銀電極である。そして、参照電極２６と前述したリード線２５の間には電圧源が設置されており、電圧を印加することが可能であり、前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として機能するものである。
なお、上記参照電極２６は、計測装置１の構成上予備的に設けたものであり、参照領域部１３を適用する場合は不要であり、計測装置１においては参照電極２６及びリード線２５を設けない構成とすることも可能である。
【００６２】
そして、制御・解析装置８は、前記パルスレーザー光源２により、前記物質検出プレート５の半導体２３における、前記絶縁体２２とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜２１に対応する位置に、パルスレーザー光９を照射させる。このパルスレーザー光９の照射によって生じるパルス電磁波１０が検出・変換装置４によって検出され、制御・解析装置８では、その検出結果を取り込んで、パルス電磁波１０の振幅強度から、物質感応膜２１での反応の有無や、反応の度合いが検出される。
【００６３】
そして、制御・解析装置８は、物質感応膜２１についてのパルス電磁波１０の検出を継続しつつ、前記走査台７を制御して、測定プレート２０を移動させ、流路１２内の物質感応膜２１に対応する半導体２３にパルスレーザー光９の照射を行う。このように、溶液濃度分布計測装置１においては、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備え、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）によって、前記パルスレーザー光９を連続的に前記物質感応膜２１（半導体２３）に対して照射し、前記照射によって発生されるパルス電磁波１０の振幅強度を、連続して、計測することが可能である。
なお、本実施例における計測装置１は、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備えているが、計測を行う際に必ず走査を行う必要はなく、計測環境に応じて走査の要不要を判断し適宜使用すればよい。
【００６４】
そして、制御・解析装置８は、前記パルス電磁波１０の振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段として機能するものであり、各物質感応膜２１での反応の有無（電磁波振幅強度の変化の有無）や、反応の度合い（電磁波振幅強度の変化の量）を検出し、これらに基づいて溶液中の反応分布もしくは濃度分布を検出して被検出物質の解析を行うものである。
【００６５】
次に、以上のように構成された計測装置１に適用するパルス電磁波を用いた計測方法を説明する。
【００６６】
本実施形態に係るパルス電磁波を用いた計測方法は、図８に示すフローに従って進行するものであり、分割工程Ｓ１０と、入射工程Ｓ２０と、プローブ光照射工程Ｓ３０と、時系列波形生成工程Ｓ４０と、振幅強度取得工程Ｓ５０と、差分工程Ｓ６０と、を有する。
【００６７】
先ず、図１に示すごとく、物質検出プレート５を、走査台７上の規定の位置に設置し、前記制御・解析装置８の制御によって、パルスレーザー光９の照射位置と、流路１２及び参照領域部１３の底部である前記物質感応膜２１の所定位置（スタート位置）が一致するように、走査台７上において、物質検出プレート５（測定プレート２０）を移動する。そうして、パルスレーザー光源２からパルスレーザー光９が照射される。
【００６８】
分割工程Ｓ１０は、前記パルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに２分割する工程である。
【００６９】
すなわち、分割工程Ｓ１０では、図１において、パルスレーザー光源２から出力されたパルスレーザー光９を、第２ビームスプリッタ１４（本実施形態においては、ハーフミラー）によって二つのパルスレーザー光９であるプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２に分割する。
【００７０】
入射工程Ｓ２０は、前記ポンプ光Ｌ２を２分割し、分割された一方の前記ポンプ光Ｌ２を前記被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部である流路１２に対応する前記半導体２３に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光Ｌ２を参照溶液が導入可能である参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射し、前記流路１２及び前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光して、ひとつの前記検出手段である検出素子１９に入射する工程である。
【００７１】
すなわち、入射工程Ｓ２０では、ビームスプリッタ１４により分けられたパルスレーザー光９の一方であるポンプ光Ｌ２を鏡２９、光チョッパー１６及び鏡３０を通過させて、当該光チョッパー１６を通過したポンプ光Ｌ２は、図７に示すように、前記第１ビームスプリッタ１７により２分割され、分割された一方の前記ポンプ光Ｌ２は前記検出領域部である流路１２に対応する前記半導体２３に照射されるとともに、分割された他方のポンプ光Ｌ２は前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射される。そうして、双方のポンプ光Ｌ２の照射位置である前記流路１２及び前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光手段１８である軸外し放物面鏡により、検出素子１９の一端へ集光し、検出素子１９によりポンプ光Ｌ２の照射により発生したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度が検出される。
【００７２】
プローブ光照射工程Ｓ３０は、前記プローブ光Ｌ１を、前記時間遅延手段１５を通過させ、前記ポンプ光Ｌ２により発生した前記各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂの入射と同期させて前記検出素子１９に照射する工程である。
【００７３】
すなわち、プローブ光照射工程Ｓ３０では、ビームスプリッタ１４により分割された一方のパルスレーザー光９であるプローブ光Ｌ１が時間遅延手段１５、鏡３１、鏡３４、及びレンズ３５を介して検出素子１９の他端に照射される。この際、プローブ光Ｌ１は前記流路１２及び前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂが前記検出素子１９に入射するのに同期して照射される。
【００７４】
時系列波形生成工程Ｓ４０は、前記プローブ光Ｌ１と同期した前記流路１２及び前記参照領域部１３にそれぞれ対応する遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波１０の振幅強度を取得して、前記流路１２及び前記参照領域部１３のそれぞれに対応する前記パルス電磁波１０の時系列波形を生成する工程である。
【００７５】
すなわち、時系列波形生成工程Ｓ４０では、第２ビームスプリッタ１４により分けられたプローブ光Ｌ１が検出素子１９に至る光路の途中にて時間遅延手段１５を通過した際に、当該時間遅延手段１５内においては、所定方向（本実施例ではプローブ光Ｌ１と平行方向）に可動自在に配置された可動鏡１５ａによりプローブ光Ｌ１が入射及び反射される。また、制御・解析装置８が当該可動鏡１５ａを所定方向に所定の周波数にて周期的に往復可動させることでプローブ光Ｌ１が検出素子１９に到達する時間を光学的に時間遅延する。こうして、制御・解析装置８は、時間遅延手段１５によりプローブ光Ｌ１が検出素子１９へ到達する時間を周期的に変化させながら、検出素子１９にプローブ光Ｌ１が入射する時間を遅延することで、プローブ光Ｌ１入射時のパルス電磁波１０の振幅強度を所定の時系列で取得することが可能となる（図９（ａ）参照）。
【００７６】
具体的には、制御・解析装置８では、検出されるパルス電磁波１０の振幅強度に基づいて振幅強度の時系列波形の生成が行われるが、その工程としては、まず、検出素子１９に物質検出プレート５におけるポンプ光Ｌ２照射位置から発生したパルス電磁波１０ａ、１０ｂが検出素子１９に集光され、当該パルス電磁波１０ａ、１０ｂの入射と同期させて、プローブ光Ｌ１を検出素子１９の所定位置に照射すると、当該照射時に入射したパルス電磁波１０の電界強度（振幅強度）に比例した電流が発生する。当該電流は、電流アンプ２７により電圧に変換後、ロックインアンプ２８にて、光チョッパー１６のチョッピングと同期してロックイン検出が行われる。そして、当該ロックイン検出の値はコンピュータ８に入力される。つまり、プローブ光Ｌ１が検出素子１９に照射した時に入射したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度を検出することが可能である。
【００７７】
前記検出素子１９に入射するパルス電磁波１０（例えば、テラヘルツ波）の波形が図９（ｂ）に示すようなものであった場合、プローブ光Ｌ１が検出素子１９へ到達するまでの時間である時間遅延Δτを、時間遅延手段１５の可動鏡１５ａを周期的に移動させて変更し、遅延時間の異なる複数のプローブ光Ｌ１を検出素子１９に入射させる。すなわち、図９（ａ）に示すように、プローブ光Ｌ１の入射する時間を遅延させ、各時間遅延（Δτ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６）におけるパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度を取得する。その結果、図図９（ｂ）の○印で示すような離散信号列が得られる。図９（ｂ）の横軸は、時間遅延Δτを示す。この遅延時間の異なる複数のプローブ光Ｌ１に応じてパルス電磁波１０を検出することで、図１０に示すようにパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各時系列波形を取得することができる。図１０に示す各波形においては、左側が検出領域部（流路１２）に帰属する波形ｗ１であり、右側が参照領域部１３に帰属する波形ｗ２である。
【００７８】
振幅強度取得工程Ｓ５０は、前記時系列波形生成工程Ｓ４０で生成された前記流路１２及び前記参照領域部１３のそれぞれに対応する時系列波形から各々の波形ピーク位置における振幅強度を取得する工程である。
【００７９】
すなわち、振幅強度取得工程Ｓ５０では、取得した前記流路１２及び前記参照領域部１３のそれぞれに対応する時系列波形ｗ１、ｗ２（図１０参照）からコンピュータ８により所定の演算処理が行われて前記流路１２及び前記参照領域部１３のそれぞれにおける振幅強度のピーク位置が求められる。
【００８０】
差分工程Ｓ６０は、前記流路１２の波形ピーク位置（図１０の左側に位置する検出領域部（流路１２）に帰属する波形ｗ１のピーク位置）と前記参照領域部１３の波形ピーク位置（図１０の右側に位置する参照領域部１３に帰属する波形ｗ２のピーク位置）における各振幅強度の差分を行う工程である。
【００８１】
すなわち、差分工程Ｓ６０では、流路１２に導入された被検出物質を含む溶液に対応した振幅強度と、参照領域部１３に導入された参照溶液に対応した振幅強度とを差分する。
こうして、前記被検出物質を含む溶液の特性（溶液の状態の変化）を計測する。以下に、具体的な被検出物質の計測例を示す。
【００８２】
次に、上述した計測装置１に上記パルス電磁波を用いた計測方法を適用した場合と適用しない場合とによる検出結果の違いを示す。
図１１に示すアンモニア濃度変化は、尿素溶液を流路１２に貯留し、ウレアーゼ（酵素）を含む物質感応膜２１の触媒作用により、尿素が加水分解され、アンモニアが発生し、溶液中の尿素濃度が減少する変化を示したものである。
図１１における（ａ）は計測装置１において本実施形態に係るパルス電磁波１０を用いた計測方法を適用しない場合の尿素濃度変化、（ｂ）は計測装置１においてに本実施形態に係るパルス電磁波１０を用いた計測方法を適用した場合の尿素濃度変化である。
図１１の（ａ）と（ｂ）を比較すると、本実施形態に係るパルス電磁波１０を用いた計測方法を適用しない場合（図１１（ａ））は、溶液の揺れ等によるノイズがのっているために尿素濃度変化と振幅強度との関係にばらつきが生じている。一方、本実施形態に係るパルス電磁波１０を用いた計測方法を適用した場合（図１１（ｂ））は、前記差分工程Ｓ６０により溶液由来のノイズがキャンセルされるため、尿素濃度変化と振幅強度との関係がほぼ比例的に変化（濃度減少に伴って振幅強度が減少）していることがわかる。このように、本実施形態に係る計測装置１に上記パルス電磁波を用いた計測方法を適用することにより、溶液に由来するノイズをキャンセルして、飛躍的に検出感度及び検出精度を向上することができる。
【００８３】
また，振幅強度の時間変化を計測することで、被検出物質と感応膜間で起こる化学反応、結合反応の反応速度および結合定数を解析することができる。たとえば，感応膜に抗体タンパク質を用い、被検出物質に抗原を用いて計測したとき、振幅強度を縦軸、時間を横軸として、グラフを作製したとき、反応開始から反応終了までにかかる時間とグラフの傾きより、結合定数を求めることができる。
【００８４】
さらに、以上の一連の解析においては、測定プレート２０を一度セットした後は、走査台７にて測定プレート２０を移動させて、連続的にパルスレーザー光９を照射することで、流路１２内の底部全域の被検出物質についての解析を実施することができ、作業性がよく、短時間で、効率良く多くの解析データを得ることが可能となる。また、被検出物質と物質感応膜２１との反応を直接検出することができるので、ラベルフリーの物質検出が可能となる。
【００８５】
本実施形態に係るパルス電磁波１０を用いた計測装置１は、前記パルスレーザー光９を、前記第１ビームスプリッタ１８により２分割し、分割された一方のパルスレーザー光であるポンプ光Ｌ２を前記検出領域部に対応する前記半導体２３に照射するとともに、分割された他方のパルスレーザー光９であるプローブ光Ｌ１を前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射し、前記検出領域部及び前記参照領域部に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光手段１８により集光して、ひとつの前記検出素子１９により検出することを特徴とするものである。発明者の当初の検討においては、物質検出プレート５に検出領域部と参照領域部とを設け、物質検出プレート５の位置を動かして検出領域部と参照領域部とのそれぞれに対して交互にレーザー光を照射し発生するパルス電磁波１０ａ、１０ｂの検出を行うという構成を検討した。しかしながら、このような構成にした場合は、レーザー、電磁波の光学系を動かす必要がないが、被検出物質を含む溶液が撹拌されてしまうため、溶液の動的な測定ができず正確な反応の時間変化を検出できない。そのため、発明者は、物質検出プレート５の位置を動かさずに、検出領域用のパルスレーザーと参照領域用のパルスレーザーの２台を準備する構成も検討したが、このような構成では、レーザー、電磁波の光学系を独立に２系統準備する必要があり、コスト、装置のサイズ、制御性等の性能低下が懸念される。そこで、本発明の如く、ひとつのパルスレーザー光９を分割して検出領域部と参照領域部とに同時に照射し、照射位置からそれぞれ発生するパルス電磁波１０ａ、１０ｂを放物面鏡によりひとつの検出手段に集光することを見出した。また、検出領域部と参照領域部とをひとつの検出手段により検出する際に、位置の違いを検出時間（遅延時間）の違いとして捉え、パルス電磁波１０ａ、１０ｂに帰属する波形を分離計測する（図１０参照）ことで、本発明に係る装置構成による計測が可能になったのである。こうして、本実施形態におけるパルス電磁波を用いた計測装置及び計測方法によれば、計測装置の検出感度や検出精度を向上することができる。
【００８６】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８７】
図１３に、本発明のパルス電磁波を用いた計測装置の第２実施例を示す。
なお、第２実施例に係るパルス電磁波を用いた計測装置が用いる本発明に係る原理は、上述した原理と同じであり、第２実施例に係るパルス電磁波を用いた計測装置において、第１実施例で説明した計測装置１と共通の部材や共通の機能を有する部分については、同じ符号で示し、その詳細な説明を省略する。
【００８８】
溶液濃度分布計測装置５０（以下、計測装置５０という）は、パルス電磁波１０を用いた計測装置であり、半導体２３と当該半導体２３上に作製される絶縁体２２と当該絶縁体２２上に作製される物質感応膜２１とを有する物質検出プレート５（センシングプレート）と、前記絶縁体２２（物質感応膜２１）上に配置され、被検出物質を含む溶液が導入可能な検出領域部である被検出物質を含む溶液を流すための流路１２（図１４参照）と、前記絶縁体２２（物質感応膜２１）上の前記流路１２近傍に配置され、参照溶液が導入可能である参照領域部１３（図１４参照）と、溶液の電位を安定させる手段（後述する参照電極２６）と、前記物質検出プレート５にパルスレーザー光９を前記絶縁体２２の反対側である前記半導体２３側から前記流路１２に対応する位置に照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波１０を発生させる手段（パルスレーザー光源２）と、前記パルスレーザー光源２から照射されたパルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに２分割する第２ビームスプリッタ１４と、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）と、前記パルス電磁波１０の振幅強度を計測する手段（検出・変換装置４）と、前記第１ビームスプリッタ１７と前記物質検出プレート５が有する半導体２３との間における前記ポンプ光Ｌ２の光路に配置され、前記ポンプ光Ｌ２のパルスタイミングを任意に調整可能であるパルスタイミング調整手段であるパルスタイミング調整器３９と、前記振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段（制御・解析装置８）等を備える。また、本実施例においては、後述する物質感応膜２１が、前記流路形成部６内の流路１２の内壁面の一部（本実施例では、流路１２内壁面の底部）を構成している。以下、装置構成の詳細について説明する。
なお、前記制御・解析装置８は、特に溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段に限定するものではなく、前記被検出物質を含む溶液の特性及びその変化、並びに、溶液の状態の変化を計測する手段である。また、本実施形態における溶液濃度分布計測装置（計測装置１及び計測装置５０）により計測可能である「溶液の状態の変化」とは、例えば、溶液のイオン濃度の変化、試料溶液中の抗原抗体反応の進行状態変化（試料溶液としては、例えば、血液、体液、その他の抗原を含む溶液等）、溶液中における種々の化学反応状態の変化、等が挙げられるとともに、これらの時間経過毎の変化を含むものである。
また、本実施例においては前記流路１２の内壁面において、物質検出プレート５側に位置する部分を便宜上底部とする。
【００８９】
前述した原理を用い、図１３に示す第２実施例に係る計測装置５０の装置構成によって、被検出物質の検出が行われる。
【００９０】
図１３は、本実施例の溶液濃度分布計測装置の概略図である。この図に示すように、本実施例の計測装置５０は、照射装置（光学系）、検出・変換装置４、及び制御・解析装置８を備える。
【００９１】
図１３において照射装置（光学系）は、パルスレーザー光源２、第２ビームスプリッタ１４、光チョッパー１６、ポンプ光分割集光手段（第１ビームスプリッタ１７（図１４参照）、集光手段４０）、パルスタイミング調整器３９、及び、走査台７から主に構成される。照射装置（光学系）は、物質検出プレート５の所定の位置に配置された検出領域部である流路１２及び参照領域部１３に所定の波長を有するパルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）を照射する機能を有する。
なお、パルスレーザー光９の方向を変更するために使用した鏡等の構成は、本実施形態に限定するものではなく、各構成部品の配置を考慮して、例えば更に鏡の数を増やす等適宜構成を変更してもかまわない。
なお、照射装置（光学系）は、図１５に示すように、プローブ光Ｌ１の光路に時間遅延手段１５を有した構成とすることも可能である。時間遅延手段１５を設けた場合、時間遅延手段１５は定期的な計測装置の校正時に使用することができる。第２実施例においては、時間遅延手段１５を有しない計測装置５０の構成を示す。
【００９２】
さらに、照射装置は、パルスレーザー光９を照射して２次元的に走査する手段を有する。つまり、走査する手段は、前記走査台７において、図示しない駆動装置を用いて前記物質検出プレート５及び流路形成部６を走査台７（ＸＹ自動ステージ）上で往復移動させつつ、パルスレーザー光９を前記物質検出プレート５に向けて照射する機能を有している。
【００９３】
また、このパルスレーザー光９の分割光であるポンプ光Ｌ２は、図４に示すごとく、流路１２の底部を構成する物質感応膜２１の位置に対応する半導体２３に対して照射されるもの（流路形成部６の一側面部に位置する流路１２に対して照射されるもの）であり、前記走査台７にて物質検出プレート５、及び、該物質検出プレート５上に密着して積層された流路形成部６の全体を動かすことによって、ポンプ光Ｌ２が照射される位置に、流路１２の底部の物質感応膜２１に対応する半導体２３を移動して、半導体２３のレーザー光照射面が走査されるようにし、ポンプ光Ｌ２を照射すると半導体２３のレーザー光照射位置から、連続的に、パルス電磁波１０を発生させることとしている。  
【００９４】
なお、走査する構成はこの第２実施例の構成に限定されず、図示しない揺動または回転するミラー等により、パルスレーザー光９を物質検出プレート５の上で２次元的に走査したり、パルスレーザー光源２を揺動したりして照射してもよい。
【００９５】
また、図１３に示すごとく、本実施例では、パルスレーザー光９とパルス電磁波１０の経路によってなす面を略水平面、即ち、図１３は上面視の構成であり、この構成を側面から見た場合に、前記パルスレーザー光９とパルス電磁波１０が略水平面をなすような配置構成としているが、各装置の形状及び固定方法によって適宜設定することが望ましく、前記略水平面を構成する必要はない。また、本実施例では、流路形成部６が有する流路１２の一側（本実施例では流路１２の底部側）に対応する半導体２３にパルスレーザー光９を分割したポンプ光Ｌ２を照射する構成としている。
【００９６】
前記パルスレーザー光９の分割光であるポンプ光Ｌ２の物質検出プレート５への入射角は、パルスレーザー光９の有する波長が、物質検出プレート５の半導体２３へ最も吸収される角度とすることが好ましい。ただし、各装置の形状及び固定方法によっては、この角度に限定する必要はなく、特に限定されるものではない。  
【００９７】
第２ビームスプリッタ１４は、入射するパルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに分割する手段であり、本実施例においては、直進するプローブ光Ｌ１に対してポンプ光Ｌ２を垂直方向に分割可能であるハーフミラーを用いている。  
【００９８】
光チョッパー１６は、ポンプ光Ｌ２の光路（本実施例においては、鏡２９と第１ビームスプリッタ１７との間の光路）に配置され、当該ポンプ光Ｌ２を所定の周波数にてチョッピングすることが可能である。  
【００９９】
ポンプ光分割集光手段は、図１４に示すように、入射したポンプ光Ｌ２を２つの平行なポンプ光Ｌ２に分割する第１ビームスプリッタ１７と、当該２つの平行なポンプ光Ｌ２により発生する２つのパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光する集光手段４０である軸外し放物面鏡とから構成される。本実施例に係る第１ビームスプリッタ１７は、図１２（ｂ）で示した平行平板ミラー型のビームスプリッタであり、直進するポンプ光Ｌ２を分割して２つの平行なポンプ光Ｌ２にすることが可能である。このポンプ光分割集光手段は、前記パルスレーザー光９であるポンプ光Ｌ２を、前記第１ビームスプリッタ１７により２分割して２つの平行光とし、分割された一方のポンプ光Ｌ２を検出領域部である流路１２に対応する前記半導体２３に照射するとともに、分割された他方のポンプ光Ｌ２を参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射することができる。
また、前記第１ビームスプリッタ１７により分割された２つの平行光であるポンプ光Ｌ２が前記半導体２３に照射するまでの２つのポンプ光Ｌ２の光路のうち、一方のポンプ光Ｌ２の光路（図１３では、２つのポンプ光Ｌ２のうち上側に示すポンプ光Ｌ２の光路）にパルスタイミング調整器３９が配置されている。
なお、パルスタイミング調整器３９を配置するポンプ光Ｌ２の光路は、ビームスプリッター１７により２つに分割された平行光であるポンプ光Ｌ２のうち、どちらか一方のポンプ光Ｌ２の光路上に配置すればよい。
【０１００】
図１３において検出・変換装置４は、検出手段である検出素子１９と、後述する変換手段と、から構成される。検出・変換装置４は、半導体２３におけるパルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）の照射位置から放射され、集光手段４０である軸外し放物面鏡により集光されたパルス電磁波１０ａ、１０ｂを検出して、パルス電磁波１０の電場振幅の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するものである。  
【０１０１】
検出素子１９は、例えば光伝導アンテナ等が適用可能であり、物質検出プレート５におけるポンプ光Ｌ２照射位置からのパルス電磁波１０ａ、１０ｂが入射可能に配置され、当該パルス電磁波１０の入射と同期させて、プローブ光Ｌ１を検出素子１９の所定位置に照射すると、当該照射時に入射したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの電界強度（振幅強度）に比例した電流が発生する。
【０１０２】
変換手段は、検出素子１９に接続される電流アンプ２７と、当該電流アンプ２７に接続されるロックインアンプ２８とを備える。また、ロックインアンプ２８は光チョッパー１６と接続されている。この変換手段では、上記検出素子１９にて発生した電流を測定することにより、プローブ光Ｌ１が検出素子１９に照射した時に入射したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度を検出することが可能である。また、前記パルス電磁波１０ａ、１０ｂに含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることとし、これにより、一般的な構成の検出・変換装置４の利用が可能となる。
【０１０３】
制御・解析装置８は、前記検出・変換装置４の変換手段にて変換した電圧信号から、被検出物質の有無の検出（定性的な測定）、被検出物質の定量的な測定、被検出物質の反応分布及び濃度分布、並びに、パルス電磁波１０の振幅強度（電圧値）の時系列波形を用いた所定の解析といった解析処理や所定の演算を行う装置である。また、本実施例では、制御・解析装置８は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とするコンピュータであり、図示せぬ制御信号線を介して、照射装置（光学系）、走査台７、検出・変換装置４、及び、パルスレーザー光源２の制御も併せて行うものである。  
【０１０４】
そして、制御・解析装置８は、前記パルスレーザー光源２により、前記物質検出プレート５の半導体２３における、前記絶縁体２２とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜２１に対応する位置に、パルスレーザー光９を照射させる。このパルスレーザー光９の照射によって生じるパルス電磁波１０が検出・変換装置４によって検出され、制御・解析装置８では、その検出結果を取り込んで、パルス電磁波１０の振幅強度から、物質感応膜２１での反応の有無や、反応の度合いが検出される。  
【０１０５】
そして、制御・解析装置８は、物質感応膜２１についてのパルス電磁波１０の検出を継続しつつ、前記走査台７を制御して、測定プレート２０を移動させ、流路１２内の物質感応膜２１に対応する半導体２３にパルスレーザー光９の照射を行う。このように、計測装置５０においては、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備え、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）によって、前記パルスレーザー光９を連続的に前記物質感応膜２１（半導体２３）に対して照射し、前記照射によって発生されるパルス電磁波１０の振幅強度を、連続して、計測することが可能である。
なお、本実施例における計測装置５０は、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備えているが、計測を行う際に必ず走査を行う必要はなく、計測環境に応じて走査の要不要を判断し、前記照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を適宜使用すればよい。
【０１０６】
そして、制御・解析装置８は、前記パルス電磁波１０の振幅強度より、被検出物質を定性的もしくは定量的に計測して前記流路１２内の溶液中の物質の反応分布もしくは濃度分布を得る手段として機能するものであり、各物質感応膜２１での反応の有無（電磁波振幅強度の変化の有無）や、反応の度合い（電磁波振幅強度の変化の量）を検出し、これらに基づいて溶液中の反応分布もしくは濃度分布を検出して被検出物質の解析を行うものである。
【０１０７】
次に、以上のように構成された第２実施例に係る計測装置５０に適用するパルス電磁波を用いた計測方法を説明する。
【０１０８】
本実施例に係るパルス電磁波を用いた計測方法は、図１６に示すように、分割工程Ｓ１００と、入射工程Ｓ２００と、パルスタイミング調整工程Ｓ３００と、プローブ光照射工程Ｓ４００と、振幅強度検出工程Ｓ５００と、を有する。
【０１０９】
先ず、図１３に示すごとく、物質検出プレート５を、走査台７上の規定の位置に設置し、前記制御・解析装置８の制御によって、パルスレーザー光９の照射位置と、流路１２及び参照領域部１３の底部である前記物質感応膜２１の所定位置（スタート位置）が一致するように、走査台７上において、物質検出プレート５（測定プレート２０）を移動する。そうして、パルスレーザー光源２からパルスレーザー光９が照射される。
【０１１０】
分割工程Ｓ１００は、前記パルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに２分割する工程である。
【０１１１】
すなわち、分割工程Ｓ１００では、図１３において、パルスレーザー光源２から出力されたパルスレーザー光９を、第２ビームスプリッタ１４（本実施形態においては、ハーフミラー）によって二つのパルスレーザー光９であるプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２に分割する。
【０１１２】
入射工程Ｓ２００は、前記ポンプ光Ｌ２を２分割し、分割された一方の前記ポンプ光Ｌ２を、パルスタイミング調整器３９により所定のパルスタイミングに調整し、前記被検出物質を含む溶液が導入可能である検出領域部である流路１２に対応する前記半導体２３に照射するとともに、分割された他方の前記ポンプ光Ｌ２を参照溶液が導入可能である参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射し、前記流路１２及び前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光して、ひとつの前記検出手段である検出素子１９に入射する工程である。
【０１１３】
すなわち、入射工程Ｓ２００では、ビームスプリッタ１４により分けられたパルスレーザー光９の一方であるポンプ光Ｌ２を鏡２９、光チョッパー１６を通過させる。また、入射工程Ｓ２００では、当該光チョッパー１６を通過したポンプ光Ｌ２が、図１３、図１４に示すように、前記第１ビームスプリッタ１７により２分割され、分割された一方の前記ポンプ光Ｌ２を、パルスタイミング調整器３９を通過させることで所定のパルスタイミングに調整して、前記検出領域部である流路１２に対応する前記半導体２３に照射するとともに、分割された他方のポンプ光Ｌ２を前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３に照射する。そうして、双方のポンプ光Ｌ２の照射位置である前記流路１２及び前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂを集光手段４０である軸外し放物面鏡により、検出素子１９の一端へ集光して、ひとつの検出素子１９に入射する。
なお、本実施例では、パルスタイミング調整器３９に、検出領域部である流路１２に対応する半導体２３に照射されるポンプ光Ｌ２を通過させる構成としているが、特に限定するものではない。例えば、パルスタイミング調整器３９に、参照領域部１３に対応する半導体２３に照射されるポンプ光Ｌ２を通過させる構成としてもかまわない。つまり、パルスタイミング調整器３９に、ビームスプリッタ１７により分割された２つのポンプ光Ｌ２のうちどちらか一方のポンプ光Ｌ２を通過させる構成とすればよい。
【０１１４】
パルスタイミング調整工程Ｓ３００は、前記検出素子１９にて検出される前記各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度の検出タイミングが一致するように前記両方のポンプ光Ｌ２のうち一方のポンプ光Ｌ２のパルスタイミングを予め調整する工程である。
【０１１５】
すなわち、パルスタイミング調整工程Ｓ３００では、第１ビームスプリッタ１７と半導体２３との間におけるポンプ光Ｌ２の光路に配置されたパルスタイミング調整器３９により、前記検出素子１９にて検出される前記各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度の検出タイミングが一致するように、前記両方のポンプ光Ｌ２のうち一方のポンプ光Ｌ２（本実施例では、流路１２に対応する半導体２３に照射されるポンプ光Ｌ２）のパルスタイミングが予め調整される。
【０１１６】
具体的には、計測装置５０においては、第１ビームスプリッタ１７により２つの平行光に分けられたうちの一方のポンプ光Ｌ２が物質検出プレート５の半導体２３に至る光路の途中にてパルスタイミング調整器３９を通過した際に、当該パルスタイミング調整器３９内において、所定方向（本実施例ではプローブ光Ｌ２と直交する方向）に調整自在に配置された調整鏡３９ａにポンプ光Ｌ２が入射され、当該入射したポンプ光Ｌ２は調整鏡３９ａにより反射される。計測装置５０においては、当該計測装置５０を用いて計測を行うに際し、パルスタイミング調整器３９が有する調整鏡３９を所定の位置に固定することで、一方のプローブ光Ｌ１の光路長を調整することができる。通常、一方のプローブ光Ｌ１に対応する前記半導体２３から発生するパルス電磁波１０ａと、他方のプローブ光Ｌ２に対応するパルス電磁波１０ｂのそれぞれが前記検出素子１９に入射する時間タイミングは異なるが、パルスタイミング調整器３９の調整鏡３９ａを移動して予め光路長の調整を行うことで、パルス電磁波１０ａが検出素子１９に到達する時間（光学的な時間タイミング）と、パルス電磁波１０ｂが検出素子１９に到達する時間（光学的な時間タイミング）とを一致させることができる。本実施例のごとく、検出タイミングが一致するようにパルスタイミングを調整することで、２つのパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度が、同じ検出タイミングで検出素子１９により検出されることになり、２つのパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度を重ね合わせた状態の振幅強度を取得することが可能である。
なお、パルスタイミング調整工程Ｓ３００は、入射工程Ｓ２００の後工程として必ずしも実行する必要はない。例えば、パルスタイミング調整工程Ｓ３００は、計測装置５０を用いて計測を行う前の計測準備段階や計測装置５０による計測結果を計測者や制御・解析装置８がモニターしている時など、他の工程に関係なく、必要に応じて適宜実行してもかまわない。
【０１１７】
プローブ光照射工程Ｓ４００は、前記プローブ光Ｌ１を、ポンプ光Ｌ２により発生した前記各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂの入射と同期させて前記検出素子１９に照射する工程である。
【０１１８】
すなわち、プローブ光照射工程Ｓ４００では、ビームスプリッタ１４により分割された一方のパルスレーザー光９であるプローブ光Ｌ１が鏡３１、鏡３４、及びレンズ３５を介して検出素子１９の他端に照射される。この際、プローブ光Ｌ１は、前記流路１２及び前記参照領域部１３に対応する前記半導体２３から発生する各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂが前記検出素子１９に入射するのに同期して照射される。  
【０１１９】
振幅強度検出工程Ｓ５００は、プローブ光照射工程Ｓ４００における検出素子１９へのプローブ光Ｌ１の照射時に前記検出素子１９に入射した前記ポンプ光Ｌ２による前記各々のパルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度を検出する工程である。
【０１２０】
具体的には、制御・解析装置８では、パルス電磁波１０ａ、１０ｂの振幅強度が検出されるが、その工程としては、まず、検出素子１９に物質検出プレート５におけるポンプ光Ｌ２照射位置から発生したパルス電磁波１０ａ、１０ｂが検出素子１９に集光され、当該パルス電磁波１０ａ、１０ｂの入射と同期させて、プローブ光Ｌ１を検出素子１９の所定位置に照射すると、当該照射時に入射したパルス電磁波１０の電界強度（振幅強度）に比例した電流が発生する。当該電流は、電流アンプ２７により電圧に変換後、ロックインアンプ２８にて、光チョッパー１６のチョッピングと同期してロックイン検出が行われる。そして、当該ロックイン検出の値はコンピュータ８に入力される。つまり、プローブ光Ｌ１が検出素子１９に照射した時に入射したパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度を検出することが可能である。特に本実施例では、パルスタイミング調整工程Ｓ３００においてパルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度の検出タイミングが一致するようにしているので、パルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度は重ね合わせた状態で検出される。こうして、制御・解析装置８は、図１７に示すようにパルス電磁波１０ａ、１０ｂのそれぞれを重ね合わせた状態の時系列波形を取得することができる。図１７において、縦軸はテラヘルツ波振幅であり、横軸は時間である。図１７に示す各波形においては、左側破線の波形が検出領域部（流路１２）に帰属する波形ｗ３であり、右側点線の波形が参照領域部１３に帰属する波形ｗ４であり、太線で示す波形が波形ｗ３と波形ｗ４を重ね合わせ波形ｗ５である。図１７に示すように、パルスタイミング調整器３９により一方のポンプ光Ｌ２のパルスタイミングを調整し、一方のポンプ光Ｌ２によるパルス電磁波１０ａが検出素子１９に検出される検出タイミングと、他方のポンプ光Ｌ２よるパルス電磁波１０ａが検出素子１９に検出される検出タイミングとを一致するようにすることで、パルス電磁波１０ａ、１０ｂの各振幅強度を同じ検出タイミングで取得可能である。図１７においては、波形ｗ３と波形ｗ４とを重ね合わせることで、流路１２に帰属する波形ｗ３から参照領域部１３に帰属する波形ｗ４がキャンセルされる。ここで、パルスタイミング調整器３９で調整される検出タイミングとは、図１７に示すように、波形ｗ３から波形ｗ４がキャンセルするために用いるタイミングである。こうして、振幅強度検出工程Ｓ５００では、パルス電磁波１０ａの振幅強度と、パルス電磁波１０ｂの振幅強度とを検出素子１９により同時に検出することで、一方のポンプ光Ｌ２の照射により発生したパルス電磁波１０ａの振幅強度と、他方のポンプ光Ｌ２の照射により発生したパルス電磁波１０ｂの振幅強度とを重ね合わせた状態、すなわち、パルス電磁波１０ａの振幅強度からパルス電磁波１０ｂの振幅強度を差分して、パルス電磁波１０ａの振幅強度からパルス電磁波１０ｂの振幅強度がキャンセルされた部分が検出される。  以上のようにして、計測装置５０は前記被検出物質を含む溶液の特性（溶液の状態の変化）を計測する。
【０１２１】
本実施例２に係る計測装置５０に上記パルス電磁波１０を用いた計測方法を適用しない場合は、例えば、溶液の揺れ等によるノイズが除去されることなく、振幅強度が計測される。一方、本実施例２に係る計測装置５０に上記パルス電磁波１０を用いた計測方法を適用する場合は、溶液由来のノイズをキャンセルすることが可能となる。このように、本実施例２に係る計測装置５０に上記パルス電磁波を用いた計測方法を適用することにより、溶液に由来するノイズをキャンセルして、飛躍的に検出感度及び検出精度を向上することができる。  
【０１２２】
以上のごとく、本発明によれば、計測装置の検出感度や検出精度を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明によれば、生体物質間の相互作用反応（抗原−抗体、酵素反応、アレルギー反応等）を高スループットで検出する装置を実現することができる。また、利用分野として、臨床検査、テーラーメイド医療、医学研究、医薬品開発、環境汚染物質評価、食品安全管理、農薬検査などの分野において、幅広く利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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